CN109231811A - 一种光纤预制棒掺杂设备 - Google Patents

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朱继红
张欣
胡俊中
艾靓
邱文斌
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    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
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Abstract

本发明涉及一种光纤预制棒掺杂设备，其特征在于包括有长筒形加热保温炉，加热保温炉两端的外侧分别设置进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头，所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头分别与掺杂气体气源和尾气收集处理装置相连通。本发明可对掺杂预制棒玻璃衬管进行整体加热，加热均匀，掺杂质量好。由于可对掺杂预制棒玻璃衬管进行整体加热和整体掺杂，因此不仅使加工时间大幅缩短，有效提高了生产效率，而且也提高了掺杂的均匀性。避免了预制棒玻璃衬管温度的反复升降，减少了玻璃衬管的析晶风险和应力不均。本发明结构简单，使用操作方便。

Description

一种光纤预制棒掺杂设备
技术领域
本发明涉及一种光纤预制棒掺杂设备，属于光纤预制棒制造技术领域。
背景技术
光纤被广泛应用于长途干线、城域网、以及接入网等光通讯系统。近几年，随着IP业务量的爆炸式增长，光通信网络正向下一代系统迈进，构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的基础。
在光纤的实际生产中，通过将一些特殊的掺杂物质加入光纤预制棒中，能够生产出具有优异性能的光纤。现有的掺杂方法主要包括在沉积过程中掺杂和成棒过程中掺杂，以及在SiO2SOOT粉状中掺杂，在SOOT固化中掺杂。锗和氟主要是通过沉积的方法掺入，大都利用管内沉积或者管外沉积方法，将不同含量的锗和氟掺杂元素引入，在高温作用下发生反应，形成所需的掺杂成分，即可得到不同的折射率分布。还有一些元素掺杂是通过扩散法掺入，如碱金属和磷等。扩散法目前大都通过移动炉子对光纤预制棒进行加热使得相应的掺杂扩散至指定的区间，该方式的不足之处在于预制棒加热的均匀性较差，整个掺杂过程耗时较长，生产效率低。
中国专利CN 102627398A，CN102627400A，CN106458696中，将玻璃管加热到1500-2200℃进行管内扩散掺杂碱金属元素。热源移动速度为30mm/min-100mm/min，往返移动次数15-30次，假设衬管长度为1m，则掺杂时间至少为5小时。扩散时间长，生产效率低，不利于大规模生产。另外加热炉的移动造成衬管温度循环升降，更容易析晶，也容易造成碱金属纵向分布不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种光纤预制棒掺杂设备，它不仅加热均匀，而且掺杂时间短，生产效率高。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有长筒形加热保温炉，加热保温炉两端的外侧分别设置进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头，所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头分别与掺杂气体气源和尾气收集处理装置相连通。
按上述方案，所述的加热保温炉包括长筒形的炉壳，炉壳内壁设置保温层，保温层外侧的炉腔周向设置加热元件，所述的加热保温炉由两个对半开合的炉壳对合而成。
按上述方案，所述的加热保温炉两端端头设置开口，开口外侧分别设置进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头，在进气旋转密封夹头与开口之间设置有隔热挡板，在排气旋转密封夹头与开口之间也设置有隔热挡板。
按上述方案，在进气旋转密封夹头与隔热挡板之间设置加热元件，用于对预制棒玻璃延长管进行加热。
按上述方案，所述的炉腔内安设有测温热电偶。
按上述方案，所述的炉体横截面为圆形或矩形。
按上述方案，所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头的轴线相重合，并同步旋转，相重合的轴线位于加热保温炉炉腔的中心轴线上。
按上述方案，所述的加热保温炉为卧式或立式，加热保温炉平行间隔设置有2～4个。
按上述方案，所述的进气旋转密封夹头通过进气管与掺杂气体气源相连，在进气管上安设有杂质过滤器，掺杂气体气源的供气压力为10～10000Pa，优选10～2000Pa。
按上述方案，所述的加热元件为等离子体、电阻丝、碳棒或感应线圈，炉腔加热温度为800℃-2200℃。
本发明的有益效果在于：1、可对掺杂预制棒玻璃衬管进行整体加热，加热均匀，掺杂质量好。2、由于可对掺杂预制棒玻璃衬管进行整体加热和整体掺杂，因此不仅使加工时间大幅缩短，有效提高了生产效率，而且也提高了掺杂的均匀性。避免了预制棒玻璃衬管温度的反复升降，减少了玻璃衬管的析晶风险和应力不均。3、本发明结构简单，使用操作方便。
附图说明
图1为本发明一个实施例的的结构示意图。
图2为本发明一个实施例中加热保温炉的剖面图。
图3为本发明另一个实施例中加热保温炉的剖面图。
图4为本发明另一个实施例的的结构示意图。
图5为本发明第三个实施例的的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。
本发明一个实施例如图1、2、3所示，包括有长筒形加热保温炉和机架11，所述的长筒形加热保温炉包括长筒形的炉壳6，炉壳内壁设置保温层7，保温层外侧的炉腔8四周设置加热元件，所述的炉体横截面为矩形，加热保温炉由两个对半开合的炉壳对合而成，所述的保温层由保温棉或保温砖构成，厚度大于5mm；所述的加热元件为碳棒12-1或电阻丝12-2，炉腔温度达到1600℃，所述的炉腔内安设有测温热电偶9，该热电偶与控温设备相连，可对整个炉体的温度进行控制，使温度控制的更加均匀。所述的加热保温炉两端端头设置开口，开口外侧分别设置进气旋转密封夹头2和排气旋转密封夹头3，进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头与预制棒玻璃衬管4的两端端头密封夹持，带动玻璃衬管匀速旋转。玻璃衬管的两端连接有延长管，延长管伸出加热保温炉炉体两端，在进气旋转密封夹头与开口之间设置有隔热挡板5，在排气旋转密封夹头与开口之间也设置有隔热挡板。所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头的轴线相重合，相重合的轴线位于加热保温炉炉腔的中心轴线上。所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头分别经进气管1和排气管10与掺杂气体气源15和尾气收集处理装置相连通。在进气管上安设有杂质过滤器和原料气体浓度检测装置，该原料气体浓度检测装置为在线检测，实时控制。掺杂气体气源的供气压力为1000Pa，主要包括纯氧气、三氯氧磷气体及氟利昂、压缩气体等辅助气体，辅助气体主要用于恒定保持整个供气源的稳定正压，所述的掺杂气体为P2O5，用于对玻璃衬管4的磷掺杂。在高温作用下，P元素通过内表面逐渐扩散进入预制棒玻璃体中，然后将此含有P元素的中间体进行缩颈及熔实，得到芯层含有P元素的芯棒，将此芯棒匹配合适的外套管拉丝，得到芯层含有少量P元素的光纤。本实施例的加热保温炉可设置一个，也可平行间隔设置有3个，3个加热保温炉可有一个掺杂气体气源供气，如图1所示。本实施例为卧式结构。
本发明另一个实施例如图4所示，它与上一个实施例的主要不同之处在于在进气旋转密封夹头与隔热挡板之间设置加热元件14，用于对预制棒玻璃延长管进行加热，在预制棒玻璃延长管中对应加热元件安设有碱金属盐13，在高温作用下产生碱金属离子气体，作为掺杂气体，辅助气体和供气源的压力与上一个实施例相同，本实施例无掺杂气体P2O5，碱金属盐原料通过分子筛，仅能通过碱金属离子气体，不能通过Ni和Fe等杂质离子。通过气体的在线检测装置，可以检测到目标碱元素的浓度，从而根据需要通过控制加热器的温度以及气罐辅助气体的输入量，控制碱金属源气体的浓度，炉体中碳棒、电阻丝或感应圈加热进行升温，达到1800℃，保温30min，在高温作用下，碱金属元素通过内表面逐渐扩散进入预制棒玻璃体中，然后将此含有碱金属元素的中间体进行缩颈及熔实，得到中间含有碱金属元素的芯棒，将此芯棒匹配合适的外套管拉丝，得到芯棒含有少量碱元素的光纤。
本发明第三个实施例如图5所示，它与上第一个实施例的主要不同之处在于加热保温炉为立式结构
本发明的对比例情况如下：
通过PCVD沉积加工，在掺氟的二氧化硅玻璃衬管上沉积光纤所需的芯层、内包层及下陷包层形成光纤预制棒的中间体。采用现有常规管内扩散法进行掺杂，其步骤如下：
1)将5-50g碱金属原料KBr(纯度99.99％)盛放于大直径玻璃管内；
2)掺杂：玻璃衬管的进气端通入O2(流量为2SLM)，打开加热器给大直径玻璃管加热，加热器温度设置为750℃，碱金属原料由于加热形成气态，并以气体带入玻璃衬管内，加热设备以30mm/min的速度移动往复20趟进行扩散；
3)掺杂结束后，在高温加热进行熔缩得到实心的芯棒，芯棒与外套管组合得到预制棒。
表1：实施例与对比例的比较结果
以上实施例展示了利用本发明进行含有特定掺杂元素的的光纤预制棒的方法和结果，由表1可知：通过本发明利用扩散法可将P元素和碱金属元素添加进入二氧化硅玻璃管中，因为本发明的热区较长，至少为1米，因此可以将二氧化硅玻璃管中的有效部分同时进行掺杂，这样的好处一是节约时间，将以前移动热源加热的时间大大缩短，从几个小时减少到小于一个小时；二是温度均匀，在整个炉体中温度均匀，整个区域同时扩散，不存在温度的上升与下降，避免了温度的反复升降，减少结晶风险和应力不均。通过该设备掺杂碱金属元素的实施例三与对比例比较可以看出，光纤的衰减值相等，但是掺杂时间却差别巨大，前者为30min，后者为250min，时间缩短1/8以上，时间的较少将生产效率大大提高，并且有利用降低生产成本。另外该设备可以设置为一层，两层或三层，根据需要可以同时进行多根二氧化硅玻璃衬管的处理，设备无需多占用空间，因此该设备非常适用于大规模批量生产光纤预制棒，提高了整体的生产效率。

Claims (10)

1.一种光纤预制棒掺杂设备，其特征在于包括有长筒形加热保温炉，加热保温炉两端的外侧分别设置进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头，所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头分别与掺杂气体气源和尾气收集处理装置相连通。
2.按权利要求1所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的加热保温炉包括长筒形的炉壳，炉壳内壁设置保温层，保温层外侧的炉腔四周设置加热元件，所述的加热保温炉由两个对半开合的炉壳对合而成。
3.按权利要求2所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的加热保温炉两端端头设置开口，开口外侧分别设置进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头，在进气旋转密封夹头与开口之间设置有隔热挡板，在排气旋转密封夹头与开口之间也设置有隔热挡板。
4.按权利要求3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于在进气旋转密封夹头与隔热挡板之间设置加热元件，用于对预制棒玻璃延长管进行加热。
5.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的炉腔内安设有测温热电偶。
6.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的炉体横截面为圆形或矩形。
7.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的进气旋转密封夹头和排气旋转密封夹头的轴线相重合，相重合的轴线位于加热保温炉炉腔的中心轴线上。
8.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的加热保温炉为卧式或立式，加热保温炉平行间隔设置有2~4个。
9.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的进气旋转密封夹头通过进气管与掺杂气体气源相连，在进气管上安设有杂质过滤器，掺杂气体气源的供气压力为10~10000Pa。
10.按权利要求2或3所述的光纤预制棒掺杂设备，其特征在于所述的加热元件为等离子体、电阻丝、碳棒或感应线圈，炉腔加热温度为800℃~2200℃。
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